胡 彬，王業(yè)健，趙浩翔，王朝元,3※，施正香,3

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3. 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心，北京 100083）

0 引 言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的溫室氣體（CO2、CH4、N2O）排放是空氣污染物的重要源頭[1-2]，且其排放量逐年增加，是導(dǎo)致全球氣候變暖的重要原因。N2O 是典型的溫室氣體，在1994 年、2005 年和2012 年中國溫室氣體排放總量（以二氧化碳當(dāng)量計(jì)，簡寫為CO2-eq）中所占比例分別為7.22%、5.27%和5.40%[3-5]。雖然N2O 排放總量較CO2及CH4低，但其全球增溫潛勢（Global Warming Potential，GWP）是CO2的265 倍[6]，此外對臭氧層具有不可忽視的破壞作用[7]。

據(jù)報(bào)道畜牧業(yè)導(dǎo)致的溫室氣體排放占全球溫室氣體排放總量的18%[8]，2015 年中國畜禽糞便產(chǎn)生的N2O 排放量占畜牧業(yè)溫室氣體排放總量比例高達(dá)18.23%[9]。奶牛產(chǎn)業(yè)被公認(rèn)為是重要農(nóng)業(yè)溫室排放源[10]，2012 年中國華北地區(qū)奶牛產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生N2O 占該地區(qū)奶牛產(chǎn)業(yè)溫室氣體總排放量的28%，共計(jì)6.24×106t，其中糞便管理產(chǎn)生的N2O 排放占27%[11]。

奶牛糞便還田之前在場內(nèi)暫時(shí)自然堆放，是中國傳統(tǒng)奶牛場的普遍管理方式。例如，北京地區(qū)傳統(tǒng)的奶牛場多采用舍外自然堆放的處理方法，此過程中無覆蓋物無添加物，堆放時(shí)間因季節(jié)而不同，一般均控制在一個(gè)月內(nèi)。另外，傳統(tǒng)的奶牛運(yùn)動(dòng)場等也會(huì)存有大量的殘留糞便。在該管理方式中，奶牛糞便中所含氮素通過硝化和反硝化作用會(huì)導(dǎo)致N2O 氣體的產(chǎn)生和排放。糞便堆放過程中受氣溫、環(huán)境風(fēng)速以及自然降水等環(huán)境因素的作用，會(huì)顯著影響糞堆理化特性、氧氣濃度、微生物活性等N2O 的產(chǎn)生和釋放條件，從而對N2O 排放過程與排放量產(chǎn)生顯著影響[16-17]。丁露雨等研究表明，由于增大表面風(fēng)速會(huì)提高氣體排放的傳質(zhì)系數(shù)，N2O 等溫室氣體排放速率隨風(fēng)速（0.4～1.2 m/s）的增大而增加[18-22]；降雨可能會(huì)極大促進(jìn)奶牛運(yùn)動(dòng)場殘留糞便的N2O 排放[18]。當(dāng)溫度較高且地面潮濕時(shí)，糞便管理過程中N2O 的排放會(huì)出現(xiàn)類似結(jié)果[23]，可能是由于降雨后水分的滲透改變了分壓差而顯著影響氣體的排出進(jìn)程。

目前對于環(huán)境條件可以進(jìn)行人為控制的奶牛糞便堆肥過程中的溫室氣體排放研究較多，對于自然堆放糞便的氣體排放則研究較少，風(fēng)速、降水等自然條件對奶牛糞便自然堆放過程中N2O 排放的影響尚不明晰。因此，本文采用動(dòng)態(tài)箱法[24-25]研究不同表面風(fēng)速及降水對奶牛糞便自然堆放條件下N2O 排放的影響，探尋N2O 排放的變化規(guī)律，為牛場糞便管理提出合理建議，同時(shí)為實(shí)際生產(chǎn)過程中控制N2O 排放提供支撐。

1 材料與方法

1.1 取糞牛場概況

試驗(yàn)牛糞取自北京延慶區(qū)某奶牛養(yǎng)殖場（40.51oN，116.07oE）。養(yǎng)殖場占地約2 hm2，飼養(yǎng)荷斯坦泌乳牛220頭，試驗(yàn)所需的新鮮牛糞從泌乳牛舍運(yùn)動(dòng)場上進(jìn)行收集。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 表面風(fēng)速試驗(yàn)

該試驗(yàn)于2015 年10 月29 日至2015 年12 月1 日在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗(yàn)站進(jìn)行。

根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)速測試可知，所測風(fēng)速中0.0～2.0 m/s 的風(fēng)速頻次超過90%。因此，本試驗(yàn)中設(shè)置4 個(gè)不同風(fēng)速梯度，即0.5、0.8、1.2 和1.6 m/s。各梯度風(fēng)速對應(yīng)1 個(gè)試驗(yàn)槽，每天按照對應(yīng)的風(fēng)速通風(fēng)3 h。為模擬自然環(huán)境下通風(fēng)隨機(jī)性，試驗(yàn)過程中采用隨機(jī)通風(fēng)方式，將一天從0:00 至24:00 分成8 個(gè)小段，采用隨機(jī)數(shù)表選取通風(fēng)時(shí)間段。除試驗(yàn)風(fēng)速外，另設(shè)置0.2 m/s 基礎(chǔ)風(fēng)速，每個(gè)試驗(yàn)槽每天以基礎(chǔ)風(fēng)速通風(fēng)21 h，為保證在非試驗(yàn)風(fēng)速階段通風(fēng)管道進(jìn)、出氣口形成穩(wěn)定氣流，以便測得氣體濃度差。

1.2.2 模擬降水試驗(yàn)

該試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗(yàn)組進(jìn)行，時(shí)間為2016 年4 月12 日至2016 年4 月28 日。模擬小到中雨降水量（9.9 mm），試驗(yàn)中在20 min 內(nèi)完成降水。試驗(yàn)中共設(shè)置3 組，編號分別為1、2、3。期間進(jìn)行2 次模擬降水，第1 次（4 月21 日）對1、3 組進(jìn)行降水，第2 次（4月25 日）對2、3 組進(jìn)行降水，每次降水過程中均有一組未降水，作為對照組。整個(gè)試驗(yàn)過程中試驗(yàn)槽的恒定通風(fēng)量為16 L/min。

1.3 試驗(yàn)裝置搭建與安裝

1.3.1 表面風(fēng)速試驗(yàn)

主要由試驗(yàn)糞槽、通風(fēng)裝置和氣體采樣分析裝置等構(gòu)成，試驗(yàn)裝置及檢測原理如圖1 所示。

試驗(yàn)糞槽由實(shí)心黏土磚及水泥沙子堆砌而成，共計(jì)4個(gè)，每2 個(gè)為一組，相鄰而建，內(nèi)部尺寸（長×寬×高）為0.8 ×0.4 ×0.8 。分別在糞槽一側(cè)預(yù)留直徑為20 mm 圓孔用于放置熱電偶監(jiān)測糞便溫度及取樣。取樣孔自上而下分為3 層，中心距糞槽底部的高度分別為70、50 和30 cm。試驗(yàn)過程中取樣孔被密封，防止糞便流出及氣體外溢。

糞槽上方放置用于提供不同風(fēng)速和氣體檢測的通風(fēng)管道，采用玻璃膠進(jìn)行密封增強(qiáng)兩者之間氣密性，從而形成一個(gè)動(dòng)態(tài)箱檢測系統(tǒng)。通風(fēng)管道總長度為4.5 m，如圖1 所示，糞槽上方為主體管道部分，為保證試驗(yàn)所需風(fēng)速，經(jīng)現(xiàn)場測試后該管道截面確定為0.4×0.1 m（長×高）。管道采用負(fù)壓通風(fēng)，在進(jìn)風(fēng)口端安裝5 mm 篩網(wǎng)，孔間距為3 mm，改善主體管道通風(fēng)均勻性。管道末端安裝兩個(gè)不同風(fēng)量的風(fēng)機(jī)（型號 9925HBL、通風(fēng)量56.41 m3/h 和YNF250-2T 、通風(fēng)量2 030.00 m3/h），試驗(yàn)中可通過調(diào)頻開關(guān)控制風(fēng)機(jī)得到不同風(fēng)速大小，大風(fēng)量風(fēng)機(jī)用于調(diào)節(jié)試驗(yàn)風(fēng)速，小風(fēng)量風(fēng)機(jī)用于調(diào)節(jié)基礎(chǔ)風(fēng)速。管道出風(fēng)口伸出室外，并加以遮擋，避免自然風(fēng)產(chǎn)生的干擾。

氣體采樣分析裝置通過采樣管與通風(fēng)管道相連接，分別采集進(jìn)、出口氣體濃度。該裝置主要由自制多路器和紅外光聲譜氣體監(jiān)測儀（Photoacoustic Field Gas-monitor 1412i，LumaSense Technology，美國）組成，對溫室氣體（N2O、CH4、CO2）進(jìn)行連續(xù)采樣監(jiān)測。自制多路器（6 路）可在不同的采樣點(diǎn)之間根據(jù)檢測時(shí)長的要求循環(huán)切換，4 個(gè)槽子共計(jì)4 個(gè)通風(fēng)管道，出氣口各用1 路，由于進(jìn)氣口氣體采用室外同一點(diǎn)空氣，濃度差異不大，故每2 個(gè)進(jìn)氣口共用1 路，共計(jì)6 路。

1.3.2 模擬降水試驗(yàn)

主要由動(dòng)態(tài)箱、噴水裝置及氣體采樣分析裝置等構(gòu)成，裝置及檢測原理如圖2 所示。

動(dòng)態(tài)箱主要由試驗(yàn)糞槽和頂蓋構(gòu)成。糞槽內(nèi)部尺寸（長×寬×高）為0.8 m×0.8 m×0.8 m，采用實(shí)心黏土磚及水泥沙子堆砌而成，共計(jì)3 個(gè)。槽子一側(cè)預(yù)留20 mm 孔用于放置T 型熱電偶，分為上、中、下3 層，中心距離地面分別為70、45 和20 cm。糞槽頂部安裝尺寸（長×寬×高）為0.9 ×0.9 ×0.1 m 有機(jī)玻璃蓋，兩者接觸邊緣采用玻璃膠密封，保證氣密性。分別在頂蓋每個(gè)側(cè)壁高5 cm 處安裝6 個(gè)噴頭降水。頂蓋一端設(shè)置進(jìn)氣口，另一端設(shè)置出氣口，進(jìn)氣口采用導(dǎo)流器將空氣均勻散開于糞便表面。

噴水裝置主要采用噴頭、水管、水泵以及水桶組成。根據(jù)降水量、糞便表面積計(jì)算可得所需水量。氣體采樣分析裝置與表面風(fēng)速試驗(yàn)類似。

1.4 氣體濃度與環(huán)境參數(shù)監(jiān)測方法

表面風(fēng)速試驗(yàn)及模擬降水試驗(yàn)均采用6 路多路器對氣體采樣，每個(gè)動(dòng)態(tài)箱進(jìn)、出氣口均采樣10 min 后，再切換至進(jìn)行下個(gè)動(dòng)態(tài)箱采樣，如此循環(huán)。采用紅外光聲譜氣體監(jiān)測儀（INNOVA 1412i，美國）對CH4、N2O、CO2進(jìn)行監(jiān)測，檢測時(shí)間間隔2 min，測量精度分別為0.15、0.01、1.70 mg/kg。試驗(yàn)期間分別用Testo（175H1，德國，精度為±0.5 ℃，分辨率為0.1 ℃，測量范圍-35.0～55.0 ℃）溫濕度傳感器和安捷倫數(shù)據(jù)采集儀（Agilent 34 970，美國）對環(huán)境溫度及糞核溫度進(jìn)行監(jiān)測，間隔5 min。

1.5 氣體排放通量計(jì)算方法

試驗(yàn)過程中單位質(zhì)量新鮮糞便氣體排放量可根據(jù)進(jìn)、出氣體濃度差、糞便質(zhì)量和動(dòng)態(tài)箱進(jìn)氣量進(jìn)行計(jì)算，如公式（1）所示

式中Q 為單位質(zhì)量糞便待測氣體的排放量，mg/kg·h；CO為出氣口氣體濃度，mg/m3；CI為進(jìn)氣口氣體濃度，mg/m3； Fair為動(dòng)態(tài)箱空氣流量，L/min；W 為鮮糞質(zhì)量，kg。此外，結(jié)合單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量糞便的氣體排放量、糞便質(zhì)量以及測量時(shí)間，可得出一周糞便的累積排放量。

圖1 表面風(fēng)速試驗(yàn)氣體檢測原理示例圖[26] Fig.1 Detection schematic diagram of surface-wind testing system[26]

圖2 降水試驗(yàn)氣體檢測原理示例圖[26] Fig.2 Detection schematic diagram of rainfall testing system[26]

2 結(jié)果與分析

2.1 表面風(fēng)速對N2O 排放的影響

2.1.1 溫度及糞便含水率變化

試驗(yàn)期間室內(nèi)外溫度、糞核溫度以及糞便含水率變化規(guī)律如圖3 所示。由圖可知，各試驗(yàn)槽的溫度變化呈現(xiàn)一致性，試驗(yàn)初期溫度升高，之后維持較穩(wěn)定的變化趨勢，后期則隨著室外環(huán)境溫度的降低而降低。為觀察整個(gè)試驗(yàn)過程中糞便含水率的變化，期間間隔測量，測定時(shí)間及結(jié)果如圖4 所示。糞便初始含水率81%左右，在整個(gè)試驗(yàn)過程中持續(xù)降低，直至試驗(yàn)后期含水率維持在70%以上，不同風(fēng)速條件下的含水率變化趨勢相同。高濕環(huán)境對糞便微生物活性具有一定影響，當(dāng)含水率75%以上時(shí)微生物反應(yīng)受到抑制[27]。由于試驗(yàn)裝置的封閉性、試驗(yàn)后期糞表面結(jié)痂阻礙水汽蒸發(fā)等因素，整個(gè)試驗(yàn)期間糞便含水降低不到10%。

圖3 室內(nèi)外及糞槽內(nèi)部日均溫度 Fig.3 Average temperature of indoor, outdoor and manure

圖4 糞便含水率變化 Fig.4 Moisture content of tested dairy manure

2.1.2 N2O 排放規(guī)律

試驗(yàn)過程中所測得N2O 排放濃度較低，為方便獲取整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)N2O 的排放變化規(guī)律，故計(jì)算N2O 周排放量，其變化規(guī)律如圖5 所示。風(fēng)速1.2 m/s 的試驗(yàn)組排放量前3 周連續(xù)下降，之后則上升，第五周出現(xiàn)最大排放量。其他3 組排放量變化規(guī)律一致，前期排放量逐漸升高，第3 周出現(xiàn)排放高峰，之后則逐漸降低，第四周出現(xiàn)排放低谷，隨后繼續(xù)增加達(dá)到排放峰值。硝化與反硝化作用是產(chǎn)生N2O 的2 種途徑，糞便好養(yǎng)或厭氧發(fā)酵過程均能產(chǎn)生N2O，糞便堆放過程中由表面至內(nèi)部的氧氣濃度不同導(dǎo)致最終排放的N2O 可能是2 種途徑的總和，由于試驗(yàn)初期主要進(jìn)行表面硝化反應(yīng)，N2O 排放量逐漸升高，隨著氧氣及反應(yīng)底物降低，導(dǎo)致排放量降低，之后逐步轉(zhuǎn)變糞便內(nèi)部反硝化反應(yīng)，N2O 排放量再次升高[16,28]。該過程中受糞便含水率及溫度的影響，變化過程相對緩慢。研究表明奶牛糞便在靜態(tài)堆放過程中N2O大量排放出現(xiàn)在堆放后的一個(gè)月左右[29-31]。該試驗(yàn)同樣表明自然堆放奶牛糞便的N2O 排放主要集中于中后期，排放規(guī)律與堆放過程相似。

2.1.3 N2O 總排放量與不同風(fēng)速的變化規(guī)律

N2O 排放量與不同風(fēng)速的變化規(guī)律如圖6 所示，單位質(zhì)量奶牛糞便的排放量為0.278～1.480 mg/kg，而各風(fēng)速下的排放量存在顯著差異。排放量隨著風(fēng)速增加而升高，在風(fēng)速1.2 m/s 時(shí)達(dá)到最大值，之后隨著風(fēng)速的增大排放量反而降低。由于試驗(yàn)過程中不同糞槽中的奶牛糞便理化特性基本相同，溫度和含水率變化相近，因此推測N2O 的產(chǎn)生量和產(chǎn)生過程相似，而表面風(fēng)速會(huì)對N2O從糞便表面向空氣中擴(kuò)散過程產(chǎn)生了明顯的影響，因而造成不同風(fēng)速下排放量的差異。當(dāng)表面風(fēng)速相對較低時(shí)，增大風(fēng)速可以增大N2O 的總傳質(zhì)系統(tǒng)，從而促進(jìn)糞便中N2O 的排放；而隨著表面風(fēng)速的進(jìn)一步提升，就會(huì)加劇糞便表面的水分蒸發(fā)，當(dāng)水分減少到一定程度時(shí)糞便表面結(jié)痂形成“糞痂”，“糞痂”的致密程度影響其孔隙率，從而影響外部氣體進(jìn)入以及內(nèi)部氣體的外排。對于1.6 m/s 試驗(yàn)組而言，風(fēng)速最大，水分蒸發(fā)最快，最先在表面形成糞痂，從而抑制N2O 的排放。在0.5～1.2 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，“糞痂”形成較慢，隨著風(fēng)速增大，內(nèi)外分壓差增加，加速內(nèi)部氣體的排放。

圖5 N2O 每周累計(jì)排放量 Fig.5 N2O accumulated emission in every week

圖6 試驗(yàn)期間不同風(fēng)速下N2O 累計(jì)排放量 Fig.6 Accumulated N2O emission for 30 days at various wind velocities during experiment

圖7 各溫室氣體占溫室氣體排放總量的當(dāng)量比例 Fig.7 Proportion of CO2, CH4 and N2O in total CO2-equivalent emissions

2.1.4 N2O 排放量占溫室氣體排放比例

試驗(yàn)期間N2O 排放量占溫室氣體當(dāng)量排放的比例如圖7 所示，以CO2當(dāng)量計(jì)。結(jié)果顯示，CO2占比最高，均在65%以上，為主要溫室氣體，CH4占比約30%，N2O在各風(fēng)速下占比存在明顯差異，所占比例總體在1.9%～6.3%之間波動(dòng)，2012 年中國華北地區(qū)奶牛產(chǎn)業(yè)糞便管理過程中產(chǎn)生的N2O 排放占該地區(qū)奶牛產(chǎn)業(yè)溫室氣體總排放量的7.56%[11]，由于試驗(yàn)中堆放的時(shí)長與奶牛場糞便管理時(shí)長存在一定差距，故排放量較低。高風(fēng)速（1.2、1.6 m/s）條件下N2O 排放比例明顯高于低風(fēng)速（0.5、0.8 m/s）；當(dāng)風(fēng)速為1.2 m/s 時(shí)糞便中的N2O 排放占比最高，與風(fēng)速對溫室氣體總排放量影響的趨勢一致。

2.2 降水對N2O 排放的影響

2.2.1 溫度與糞便含水率變化

室內(nèi)溫度及糞便各層平均溫度變化過程如圖8 所示。試驗(yàn)期間室溫基本維持穩(wěn)定，變化趨勢不大，糞槽表層溫度在試驗(yàn)初期上升較快，之后保持平穩(wěn)，而中層和底層溫度一直處于緩慢升高的過程。溫度隨著糞堆深度的變化而呈現(xiàn)出一致性：T表層＞T中層＞T底層，每層溫度差異3～5 ℃，表層溫度最高，說明微生物反應(yīng)最為劇烈，而表面溫度因表層熱傳導(dǎo)作用而高于室溫，同時(shí)又受到室溫影響，兩者變化趨勢相當(dāng)。糞便底層直接與地面接觸發(fā)生熱傳導(dǎo)作用，熱量散失，溫度則低于室溫。

表層溫度上升至穩(wěn)定后均高于室溫，試驗(yàn)組1、2、3與室溫的最高溫差分別達(dá)到12.5 、4.0 、8.4 ℃。

試驗(yàn)組1、2、3 糞便初始含水率分別為55.7%、61.4%、56.5%。可能含水率不同導(dǎo)致不同的表層溫度，且含水率越大，表層溫度與室溫差距越小。

圖8 糞槽各層與室內(nèi)平均溫度 Fig.8 Manure temperature in different heights of manure chamber and indoor air temperature

圖9 N2O 排放變化規(guī)律 Fig.9 The change of N2O emission during experiment

圖10 試驗(yàn)組1、3 第一次降水前后N2O 累計(jì)排放量 Fig.10 Accumulated N2O emissions of group 1 and 3 in the first rainfall (before and after)

2.2.2 N2O 排放規(guī)律

模擬降水對N2O 排放規(guī)律的影響如圖9 所示。一般來說，N2O 排放高峰出現(xiàn)在糞便堆放后的一個(gè)月[29,31]，本試驗(yàn)中試驗(yàn)組1、3 在堆放后一周出現(xiàn)了一個(gè)排放峰值。試驗(yàn)組1 的N2O 排放規(guī)律較其他2 組存在差異：3 個(gè)試驗(yàn)組N2O 排放量均出現(xiàn)先升高后降低的趨勢，試驗(yàn)組1具有明顯且短暫的排放峰值，試驗(yàn)組2、3 排放峰值較低但持續(xù)時(shí)間較長。試驗(yàn)組1 表層溫度均比試驗(yàn)組2、3 高，為微生物提供了適宜的生長溫度，產(chǎn)氣上升較快。

降水對N2O 排放具有明顯影響，第一次降水處于試驗(yàn)組1 排放下降期及試驗(yàn)組3 排放高峰期，第二次降水處于試驗(yàn)組3 排放疲軟期及試驗(yàn)組2 排放高峰期，2 次降水均導(dǎo)致了N2O短暫的排放高峰，在降水后半小時(shí)內(nèi)N2O排放急速上升，1～2 h 內(nèi)達(dá)到排放峰值，之后快速下降，降水后0～10h 與降水前排放水平基本持平。

如圖10 所示，試驗(yàn)組1、3 在降水后0～10 h 內(nèi)的N2O 排放量較降水前分別增加了76.51%、38.50%，降水后10～20 h 內(nèi)的N2O 累積排放量較降水后0～10 h 內(nèi)的累積排放量分別降低了59.48%、55.86%，與降水前的0～10 h 相比則分別降低了28.5%、39.0%。該結(jié)果說明降水能夠短暫提升奶牛糞便N2O 排放強(qiáng)度，隨后急劇下降。

主要原因分析如下：由于在降水的短時(shí)間內(nèi)糞便內(nèi)部溫度、含水率等變化較小，因此排除反應(yīng)持續(xù)時(shí)間較長的微生物作用，從而導(dǎo)致的N 素形態(tài)變化和對N2O 產(chǎn)生量的影響；另外，糞便內(nèi)部存在的空隙在“糞痂”的作用下能夠積存部分N2O，當(dāng)降水后水分從糞便表面進(jìn)入內(nèi)部，形成連接內(nèi)外的空隙，加之水分進(jìn)入后的蒸發(fā)作用，因此可以在短時(shí)間內(nèi)帶出內(nèi)部積存的N2O 氣體，從而造成其排放量急劇升高的現(xiàn)象；降水后10～20 h 內(nèi)的N2O 氣體排放由于缺少內(nèi)部積存氣體的“助力”，出現(xiàn)迅速下降的現(xiàn)象。

降水對糞便N2O 排放的影響與土壤中N2O 排放類似。對于土壤而言，含水量影響其通氣性、氧氣濃度，因而會(huì)同時(shí)影響N2O的產(chǎn)生及排放。通常認(rèn)為最適宜N2O排放的土壤含水量范圍為30%～60%和60%～80% WFPS（Water Filled Pore Space，充水孔隙）[32]，當(dāng)降水時(shí)通常能夠引起N2O 的大量排放[33]。此外，土壤的干濕交替同樣導(dǎo)致N2O 的排放，水分的變化導(dǎo)致了土壤空隙的變化，影響通氣狀況，進(jìn)而影響N2O 的擴(kuò)散排放。N2O 在土壤中主要通過孔隙內(nèi)的氣體介質(zhì)擴(kuò)散傳輸，空隙含水量越大，其傳輸擴(kuò)散速率越慢，氣體在土壤中停留時(shí)間越長[34-35]。糞堆含水率較高，內(nèi)部空隙率較小，氣體的擴(kuò)散傳輸較慢，加之糞便表面結(jié)痂，形成了一層致密的蓋子，堆糞內(nèi)部與外界換氣率降低，當(dāng)表面糞痂被降水破壞時(shí)則增大換氣率，導(dǎo)致N2O 大量排放。

2.2.3 降水對溫室氣體總排放量的影響

以試驗(yàn)組3 為例，試驗(yàn)期間每天溫室氣體總排放量（包括CO2、CH4和N2O）的變化規(guī)律如圖11 所示。結(jié)果顯示第一次降水前，溫室氣體當(dāng)量排放處于穩(wěn)定的上升過程，降水后排放量下降，隨后保持穩(wěn)定的排放趨勢；第二次降水后，溫室氣體當(dāng)量排放出現(xiàn)類似第一次降水的規(guī)律。從兩次降水的N2O 排放規(guī)律可知，降水在一段時(shí)間內(nèi)能夠有效較少溫室氣體的排放量。兩次降水中溫室氣體排放當(dāng)量降水當(dāng)天與降水前一天相比分別降低12.9%、10.9%。對于CH4而言，兩次降水與降水前一天排放當(dāng)量相比變化甚微，且兩次降水后的氣體當(dāng)量排放保持較穩(wěn)定的趨勢；對N2O 而言，

圖11 試驗(yàn)組3 溫室氣體排放當(dāng)量變化 Fig.11 Changes of GHG emissions(CO2-eq)of group 3

兩次降水與降水前一天排放當(dāng)量相比變化甚微，但與降水后相比排放當(dāng)量則下降明顯；對于CO2而言，兩次降水與降水前一天排放當(dāng)量相比則分別降低了11.0%和11.2%，降水后當(dāng)量則保持穩(wěn)定排放趨勢。降水使得糞便內(nèi)部與外部形成較大的相通的空隙，短時(shí)間內(nèi)部分壓得以釋放，外部空氣進(jìn)入糞便內(nèi)部，氧氣濃度由低變高，由厭氧環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒀跎踔潦怯醒醐h(huán)境，產(chǎn)生N2O的途徑也隨之變化，由反硝化途徑過渡至硝化途徑[16,27]，產(chǎn)生N2O 能力減弱，故降水后N2O 排放當(dāng)量降低，由于氧氣濃度的變化，在糞便中的反硝化細(xì)菌逐漸被硝化細(xì)菌所取代的過程中其呼吸作用先降低后增強(qiáng)，降水后糞便空隙中的水分逐漸減少，增加了糞便通氣能力，故出現(xiàn)降水后CO2排放緩慢上升的現(xiàn)象[36]。

2.3 奶牛場糞便管理建議

奶牛糞便自然堆放是中國奶牛場糞污處理的主要方式之一，堆放過程產(chǎn)生大量溫室氣體，并受風(fēng)速及降雨等自然因素影響。結(jié)合模擬試驗(yàn)結(jié)果，為奶牛場糞便管理提出如下建議：1）運(yùn)動(dòng)場及牛舍內(nèi)糞便應(yīng)當(dāng)及時(shí)清理，減少糞便堆放時(shí)間，堆放時(shí)間越長產(chǎn)生溫室氣體越多，堆糞場糞便則應(yīng)堆放至一起，減少糞便暴露于空氣中的面積，減少風(fēng)速對其干擾；2）雖然適度降水能夠在一定程度上減少溫室氣體排放，但研究表明當(dāng)降水量達(dá)到15 mm左右時(shí)牛糞會(huì)發(fā)生初始徑流，從而造成氮素流失；建議可將糞便堆放至雨棚內(nèi)，不定期為糞堆適量降水，可抑制其溫室氣體排放，同時(shí)減少自然降雨對牛糞造成的養(yǎng)分流失以及對地下水造成的污染[37]；露天糞堆則可加蓋遮擋物，降低風(fēng)速對牛糞影響以減少N2O排放，另外糞便表面結(jié)痂亦可減少N2O的排放[38-39]。

3 結(jié) 論

1）在表面風(fēng)速試驗(yàn)中，N2O 排放量隨風(fēng)速的增大先增加后減小，1.2 m/s 時(shí)達(dá)到最大值，且排放量在不同風(fēng)速下存在顯著差異；不同風(fēng)速條件下，各溫室氣體的當(dāng)量占比在不同風(fēng)速下存在波動(dòng)，風(fēng)速較大時(shí)（1.2、1.6 m/s）N2O 所占比例更高；

2）在模擬降水試驗(yàn)中，降水對N2O 排放具有顯著影響，降水后其排放先升高后降低逐漸至降水前排放水平；降水對溫室氣體排放具有一定的抑制作用。